激光外差测量30年

清华大学精密仪器与机械学系教授 殷纯永

 

 

      70年代初到80年代初，为适应电子工业的需求，精仪系曾经研制和生产激光定位分步重复照相机，累计300台左右。我当时作为一名技术员可以说吃尽了单频干涉仪的苦头。当时的激光器寿命比较低又是外腔的，每次更换激光器都要调腔镜，等调出了激光又面临两路干涉信号的相位差不是90度的麻烦，仪器的行程只有40多毫米，要得到全行程上一致的波形也并非易事。当时是大学生当装配工，1-2人负责1台，有时为了光学和机械调整通宵加班。光路重调以后，信号变化，需要相应调整前置放大器，幸亏这些“装配工”的文化程度和钻研精神层次较高，否则是无法生产的。（这些大学生当然也得到了锻炼，相当多的人如今已经是著名的学者、教授了）在这样的情况下很多人都在寻求解决问题的办法，发现美国有一种采用“魔块”的干涉仪，性能特别，不怕振动，可以在车间使用，允许光强衰减到90%以上还能正常工作，可以同时测量几个通道的结果和测量距离、角度、直线度等，相当于一个移动计量室，优点多多。问题是不但价钱相当高而且对华禁运。

 

 

      1975年正是邓小平同志恢复工作、胡耀帮同志抓科技工作。我校钱伟长教授去美国探亲。钱先生当时还没平冤，竟然在探亲过程中收集了惠普公司的干涉仪样本，回来以后交给了科研处。张维副校长最终促成了精仪、物理、自动化3个单位的合作，因为有生产分步相机的经验和当时的清华学子是国内各个科研单位的主力，需要什么器件非常方便，最关键的偏振分光棱镜就是当时在上海光学仪器研究所负责镀膜的清华校友给的。只用半年时间就完成了两种方案展览样机，其中一台参加了75年在军事博物馆举行的科技展览。邓小平、胡耀帮同志参观了展览会。半年以后已经可以实际测量，76年在物理杂志上发表了科普性的文章。原来是用某种方法先使光频附加上一个频差，在测量过程中再附加上由于物体运动造成的频率变化，这样一来，处理的电信号不论工作台运动与否永远是交流信号，最后再去掉最初的附加频差，就是和被测量有关的信号。这个过程如同外差收音机有一个本机振荡一样，可以方便地进行放大、滤波等信号提纯的处理。这也是为什么称这类测量为外差测量的原因。

 

      因为优点吸引人，也是由于一轰而上的恶习，这时国内有10多个单位都来研制双频干涉仪，到清华来“调研”“取经”的可是不少。因为鉴定条件不具备，清华的仪器一直没鉴定，因此清华大学没有得到“国内首创“的美名。对于参加工作的人来说不能说是开心的事。但是很多关键技术出自清华大学，例如全内腔塞曼激光器的结构、“减法”电路和“锁相倍频”电路都是清华人在不得知识私有的压力下传授出去的。就拿“锁相倍频”电路来说，当时连专门教电子学的老师也没有用过，更不用说专用芯片了。几个年轻人昼夜加班再加上老教师的指点，几经改进终于作出来了。尽管没有“首创”外界还是承认清华的工作，等外国人看到我们自己已经研制出来，禁运也就解除了，购买第一台双频干涉仪的谈判也请我参加了。当时在有的样本上还注有US Only的字样，本想送给我们又立刻收了回去。

 

 

      没有实现“国内首创”虽然有点遗憾，但是好处是科研组没有解散。因为还没有达到自动补偿。实现自动补偿要解决两个问题：测量空气折射率和被测件的温度。惠普仪器通过测量空气温度、压力湿度计算出空气折射率，得出实际波长值。外单位在走仿制的道路，我们如果沿着国外的技术方案走，在制作这些传感器工艺方面我们没有优势，因此要探索新的解决办法。我们采用折射率干涉仪方案，充分发挥双频干涉仪可以多通道测量的优点，用其中一个通道测量折射率。构造双频折射率干涉仪在当时是没有先例的。如前所述，我们曾经研制了两种双频干涉仪，一种使用偏振分光棱镜，一种没有偏振分光棱镜，我们在这里又采用了没有偏振棱镜的方案，结构小巧、抗干扰能力强。

 

      惠普测量工件温度采用石英温度计，当时国内没有产品，我们就自己设计、加工、封装研制出来。现在回过头看这种自动补偿方法也是独特的，难怪美国普渡大学来信索要我们文章的英文译文。为鉴定作准备，不但在校内作实验，还到密云机床研究所作现场使用，回顾这段经历，像是被自己逼上了创新之路。当时我们都在40岁左右，正是生活负担最重的时期，为科研工作奔波自然有相当大的困难。特别到工作后期1979年，讲课、学外语、上研究生抽去了不少人，可是每件工作的失利都会导致前功尽弃。大家来自不同单位、没有人提出任何要求，甚至当时也没听说会有奖励，都能主动参加工作。当时查找专利完全靠手工，专利局只是提供查找条件。当时我国还没有专利制度，为准备鉴定，查专利4个人天天乘公共汽车跑三环路上化工学院大院一个多月。

 

      到中国计量科学院鉴定只同意安排4天时间，其他时间难于安排。正因为准备充分，也是老天有眼，鉴定工作是出奇地顺利。仪器安装好进行第一次试测就符合了，第二天只需多找几个人作旁证就是了。设想，如果出了任何差错都会空过4天时间，造成无法挽回的损失。

 

      双频干涉仪在学校工厂生产出售10多台，这个项目获得国家发明3等奖。

 

 

      通常，干涉仪只能测量被测面法向的运动分量，激光多普勒测速仪可以测量和激光束垂直方向（面内）的速度。磁盘和光盘的读写系统姿态分析相当于测量面内运动。所以只能用激光测速仪。通常，激光测速仪的最好空间分辨率为10微米左右，而磁盘测试要求0.03微米，可见用激光测速原理实现面内运动姿态分析不是一件容易的事。限制分辨率提高的原因首先是外差光源的频漂。塞曼激光器的差频漂移量在1KHz以上，声光频移方法的频漂量为几个赫兹或者更小些，也就对应10微米的分辨极限。

 

      不论自觉还是不自觉，外差测量中的信号处理问题提到了日程。当时的目标就是去掉这个缓慢的漂移。通常测速仪设计都在解调过程中直接用激励调制器的电信号去掉了调制时附加上去的频差，这种方法从工作原理上看是完全合理的。

 

      也能消除部分噪声，但要达到磁盘测量的要求还差得很远。因为光学系统带来的延时和扰动是不能用电信号消除的。

 

      最后提出的光学系统设计是一个四束光双焦点系统：测量信号和参考信号所经过的光路是完全对称的，不但漂移相互抵消，连外界振动也几乎不影响测量，鉴定的时候故意放在车间旁边一张普通的桌子上测量。这套系统为完成头盘耦合关系研究和磁盘系统加固项目立下汗马功劳。整个“运动姿态测量方法和装置”获得国家发明3等奖，距第一次获奖整10年时间。也是我和物理系郭继华教授第2次成功的合作。

 

      由于这次成功的经验，又做了一些基本的实验，我们一起提出了仪器系统设计要遵守自适应原则的建议。这个指导原则成为我们以后工作的基础，每一次成功的应用都可以申请一项专利。

 

 

      在我参加过的项目中，我认为直线度、同轴度测量是最困难的。初看起来准直很容易，70年代激光出现以来，提出的准直方案用尽了物理光学和几何光学的各种可能性。似乎任何人都可以提出一个设想，表面上也挑不出什么差错。可就是不能用。单是清华大学内从事激光准直的研究生十多位，历时10余年。因为我的实验室有一个长导轨，他们大多来作过实验。我自己的研究生也有3个人作过准直工作。最初感到实验现象十分费解，漂移好象是没有边际的。进而发现求平均也不能克服漂移。后来从1985年开始在3次自然科学基金资助下对这一问题进行了深入的探讨。查清了问题的本质是大气扰动的非线性特征和特殊的谱特性，它不是高斯分布当然平均不掉。因为非线性系统对初值极为敏感，无论时间上和空间上的微小差异都会导致输出的难以置信的差别（通常称之为蝴蝶效应）。仪器设计中在传统意义上遵守“共路”原则的设计仍然不能奏效，甚至无所适从。因为完全共路的结构是不能完成测量任务的。我们的贡献仅仅在于给出了偏离共路条件的程度和补偿可能性之间的定量规律。即光斑直径和光束分离量的比值要大于0.5。拟订了一种小分束角双渥拉斯顿棱镜和用直角棱镜回光的结构，两束光在30米处只分开2毫米而光斑则有8毫米，保证了对空气扰动的“光计算”补偿。

 

      我们的研究结果和惠普30米直线度系统的对比实验在计量科学研究院基线室进行，邀请了航天部304所的代表一起监督实验工作。实验结果表明，我们的系统具有很好的抗空气扰动能力。标准偏差比惠普仪器小3倍。特别是我们可以测量同轴度而其他仪器不能。这台仪器成为测量36米基线导轨的基准。1999年度获得北京市科技进步2等奖。这是我和郭继华教授第3次成功的合作。我们自己觉得在我们完成过的所有科研任务中这是难度最大、水平最高的一个，如同没得到“国内首创”一样，我们将继续寻求更好的结果。

 

 

      由于机械运动速度的提高，塞曼双频受到严峻的考验。因为通常情况下其频差不超过3MHz.这意味着可以测量的运动速度不超过700mm/s。满足不了客观需要。声光调制外差法显示出明显的优点。因为声光调制频率如果采用20MHz,可以适应每秒十几米的速度。从技术上说和激光测速的技术没有太大区别。但是会导致成本提高，因为稳频和调频是两套系统，还要把两个有夹角的偏振光合并起来。使得光学机械系统复杂化。

 

      清华大学曾经在开始研究双频干涉仪的相同时间研究激光陀螺。在克服漂移和闭锁方面做了大量工作。为了克服漂移和闭锁在腔内采用了法拉第旋光器件，和计量院合作研制成功环行激光测角仪，获得国家科技进步2等奖。后来发展了测量磁场的高灵敏传感器。和双频有直接关系的是张书炼教授领导的科研组完成了一系列激光频率分裂方法：光电、插入晶片以及采用反射面在外、玻璃上施加应力的腔镜。可以实现从5MHz到1000MHz的任何频差。这就是双折射双频激光器。实现了测量位移、转角、振动等传感器，工作很充分。影响实际应用主要的困难是工艺和结构稳定问题，因为在腔内插入各种器件必然面临精密的安装，因而发展了反射膜在外的应力窗片。这时的应力加在窗片玻璃上。但是反射膜在外有损使用寿命。有没有办法简化并得到更可靠的结构？最好的办法就是把所有的折射器件都从腔内搬走，代之以反射作用。如果这个反射作用不是各向同性的，它就可以代替应力窗片。这就需要设计一种在正交方向的相位跳变不一样的高反膜。许多人怀疑这种膜是否能实现。事实证明这种膜不但有解而且相当稳定。现在，我们用这种双反射膜构造的激光器已经实现了频率稳定和研制成功高测速双频激光干涉仪。从表面上看，这些工作是在不同的科研组完成的，实际上是大家都在设法解决外差测量遇到的困难，基础研究的信息是相互沟通互相促进的。目前的工作仍然是解决各种解决方案的工艺和结构稳定问题。这个精力是值得花的，因为这种方法的竞争力是非常明显的。

 

 

      外差测量的优点从根本上说是实现了从光源、传感、信号处理全过程的整体优化。它又对这些部分的进步提出了明确的要求。外差测量会因为任何部分的进展而向前发展。例如，气体激光器的波长调协范围很小而半导体激光器的调协范围相当大，可是谱线较宽。如果用气体激光器一样的思路使用半导体激光器那就可能作成更大更贵的系统，无法和气体激光器竞争。用半导体激光器实现无导轨测量已有报导，如果有简洁的方法实现外差调制会在长度测量、空间跟踪测量、非接触测头等方面都引用无导轨的理念，会使大系统得以优化。从信号处理系统考虑，实际上要求工作频率不断提高，无导轨测量希望的拍波频率在10GHz以上，可想而知信号处理系统的要求了。因为半导体激光器分裂出双频有相当的难度，目前比较简单的解决方法是在干涉仪上调制。

 

      外差测量技术受到应用要求的牵引，电子、计算机等领域的进展又为外差测量技术提供了基础。外差测量技术有广阔的发展前景，过去30年没作完，今后30年会有更大的发展。